AT405767B - METHOD FOR PRODUCING AN OPTICAL SENSOR AND LAYER STRUCTURE FOR USE IN ANALYTICAL PROCESSES - Google Patents

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Description

AT 405 767 BAT 405 767 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors mit einem Substrat für grenzflächenaktive (surface enhanced) analytische Prozesse, welches Substrat auf der Oberfläche eines Trägerelementes eine Inselschicht aus voneinander getrennten Metallinsein aufweist sowie eine Schichtstruktur zur Verwendung in analytischen Prozessen.The invention relates to a method for producing an optical sensor with a substrate for surface-active (surface enhanced) analytical processes, the substrate on the surface of a carrier element has an island layer made of separated metal insides and a layer structure for use in analytical processes.

Metallinseln in der Größe von 5 bis 50 nm, aufgebracht auf Oberflächen bzw. Grenzflächen von Trägermaterialien, können zur Verstärkung chemischer bzw. physikalischer Prozesse, beispielsweise der Fluoreszenzemission von an die Inselschicht gebundenen Fluorophoren verwendet werden. Wenn sich die Fluorophore innerhalb einer bestimmten Distanz von ca. 5 bis 25 nm von der Inselschicht befinden, treten Fluoreszenzverstärkungseffekte Surface Enhanced Fluorescence (SEF)) auf, welche das Resultat einer erhöhten lokalen elektromagnetischen Feldintensität und/oder elektromagnetischen Resonanz der Metallpartikel mit dem Fluorophor darstellen. Sie sind geeignet, die Bindung des Fluorophors an die Oberfläche des Substrates in Gegenwart von ungebundenem Fluorophor (Bulk Solution) zu messen, welcher im Gegensatz zum gebundenen nicht oder nur schwach von der Fluoreszenzverstärkung beeinflußt ist.Metal islands in the size of 5 to 50 nm, applied to surfaces or interfaces of carrier materials, can be used to enhance chemical or physical processes, for example the fluorescence emission of fluorophores bound to the island layer. If the fluorophores are within a certain distance of approx. 5 to 25 nm from the island layer, surface enhancement fluorescence (SEF)) effects occur, which are the result of an increased local electromagnetic field intensity and / or electromagnetic resonance of the metal particles with the fluorophore . They are suitable for measuring the binding of the fluorophore to the surface of the substrate in the presence of unbound fluorophore (bulk solution), which, in contrast to the bound one, is not or only slightly influenced by the fluorescence enhancement.

Die beschriebene Methode ist vor allem hilfreich in der Bestiminung jeglicher Liganden, (z. B. Antikörper, Proteine, Hormone) in einer Probe, welche mit einem oberflächengebundenen Molekül, einem sogenannten Effektor (z. B. Antigen, Antikörper oder Rezeptor) reagieren und durch Komplexbildung mit einem Fluorophor detektiert werden. Es werden somit alle Varianten der Fluoreszenz-Immunoassays (FIA) abgedeckt. Die für derartige Verfahren notwendigen Schichten aus Metallinseln wurden bisher - wie beispielsweise aus der EP-A2 0 732 583 bekannt - aufgedampft, aufgesputtert oder durch elektronenstrahllithographische Verfahren hergestellt. Die Inseln bestehen aus einem elektrisch leitenden Material und weisen einen Durchmesser &lt;300 nm auf.The described method is particularly helpful in the determination of any ligands (e.g. antibodies, proteins, hormones) in a sample which react with a surface-bound molecule, a so-called effector (e.g. antigen, antibody or receptor) and can be detected by complex formation with a fluorophore. All variants of the fluorescence immunoassays (FIA) are thus covered. The layers of metal islands required for such processes have hitherto been vapor-deposited, sputtered on, or produced by electron-beam lithographic processes, as is known for example from EP-A2 0 732 583. The islands are made of an electrically conductive material and have a diameter <300 nm.

Eine biorekognitive Schicht (Schicht mit Molekülen, welche den zu messenden Analyten selektiv zu binden vermögen) ist direkt auf oder mittels einer Spacer-Schicht an der Inselschicht angeordnet. Bei der Messung wird der zu messende Analyt mit einem Fluorophor markiert und dockt an der biorekognitiven Schicht an, wo es zur Fluoreszenzverstärkung kommt. Die gemessene Fluoreszenzintensität ist ein Maß für die Analytkonzentration.A biorecognitive layer (layer with molecules which are able to selectively bind the analyte to be measured) is arranged directly on or by means of a spacer layer on the island layer. During the measurement, the analyte to be measured is marked with a fluorophore and docks onto the biorecognitive layer, where fluorescence intensification occurs. The measured fluorescence intensity is a measure of the analyte concentration.

Weiters ist eine Fluoreszenzverstärkung mit Hilfe von Inselschichten aus Metallinseln auch aus der WO 93/02362 bekannt. Ein Trägerelement weist eine Inselstrukur von voneinander getrennten Metallinseln auf, welche von einer kontinuierlichen Kopplungsschicht bedeckt sind. Die Kopplungsschicht trägt erste Partner eines Immunoassays, dessen zweiter Partner in der Probe vorliegt oder als Produkt eines analytischen Verfahrens anfällt. Die Dicke der Kopplungsschicht ist auf die optimale Verstärkung, bespielsweise der Fluoreszenzausbeute, optimiert. Als besonders vorteilhaft wird die Aufbringung der Metallinseln durch Aufdampfen in Vakuum beschrieben.Furthermore, fluorescence amplification using island layers made of metal islands is also known from WO 93/02362. A carrier element has an island structure of separate metal islands, which are covered by a continuous coupling layer. The coupling layer carries the first partner of an immunoassay, the second partner of which is present in the sample or is the product of an analytical method. The thickness of the coupling layer is optimized for the optimal amplification, for example the fluorescence yield. The application of the metal islands by vapor deposition in vacuum is described as being particularly advantageous.

In einem anderen Zusammenhang sind derartige Inselschichten auch aus der EP-A1 0 677 738 bekannt geworden. Dieser Sensor ist schichtförmig aufgebaut, und besteht aus einer Spiegelschicht, einer reaktiven, insbesondere quellfähigen Matrix und einer Schicht aus einer Vielzahl von Inseln aus elektrisch leitendem Material, wobei der Durchmesser der Inseln kleiner ist, als die Wellenlänge des für die Betrachtung bzw. Auswertung verwendeten Lichtes. Bei einem derartigen Sersor wird die Eigenschaft von Sensormaterialien ausgenutzt, unter dem Einfluß der jeweils vorliegenden chemischen Umgebung das Volumen reversibel zu verändern, d. h. zu quellen bzw. zu schrumpfen. Ein derartiges Quellen bzw. Schrumpfen führt beim optochemischen Sensor gemäß EP 0 677 738 zu einer Veränderung der optischen Dicke zwischen der Spiegelschicht und der Inselschicht und dadurch zu meßbaren optischen Veränderungen. Die Inselschicht wird aufgedampft, aufgesputtert oder durch elektronenstrahllithographische Verfahren hergestellt.In another context, island layers of this type have also become known from EP-A1 0 677 738. This sensor has a layered structure and consists of a mirror layer, a reactive, in particular swellable matrix and a layer of a plurality of islands made of electrically conductive material, the diameter of the islands being smaller than the wavelength of the one used for the observation or evaluation Light. In the case of such a sensor, the property of sensor materials is used to reversibly change the volume under the influence of the respective chemical environment, ie. H. to swell or shrink. In the optochemical sensor according to EP 0 677 738, such swelling or shrinking leads to a change in the optical thickness between the mirror layer and the island layer and thereby to measurable optical changes. The island layer is evaporated, sputtered on or produced by electron beam lithography.

Nachteilig bei diesen Verfahren sind die technisch aufwendigen Prozesse zur Herstellung der Inselschicht, die inhomogene Verteilung der Partikel sowie die inhomogene Partikelgröße und deren teilweise geringe chemische Stabilität.The disadvantages of these processes are the technically complex processes for producing the island layer, the inhomogeneous distribution of the particles and the inhomogeneous particle size and their sometimes low chemical stability.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors mit einem Substrat für grenzflächenaktive analytische Prozesse, insbesondere mit einem fluoreszenzverstärkenden Substrat sowie eine Schichtstruktur zur Verwendung in analytischen Prozessen vorzustellen, welcher bzw. welche billig und einfach herzustellen sind, wobei die Inselschicht chemisch stabil sowie homogen sein soll und nur geringfügige Abweichungen in der Partikelgröße auftreten sollen.The object of the present invention is to present a method for producing an optical sensor with a substrate for surface-active analytical processes, in particular with a fluorescence-enhancing substrate, and a layer structure for use in analytical processes, which one or which ones are cheap and easy to produce, the island layer should be chemically stable and homogeneous and only slight deviations in the particle size should occur.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, - daß ein Trägerelement verwendet wird, welches Kopplungsgruppen aufweist oder zur Herstellung von Kopplungsgruppen chemisch behandelt wird, - daß eine Metallkolloidlösung hergestellt und mit der Oberfläche des Trägerelementes in Kontakt gebracht wird, - wobei die Metallkolloide mit Hilfe der Kopplungsgruppen an das Trägerelement gebunden werden und so eine homogene Inselschicht bilden, sowie 2The object of the invention is achieved in that a support element is used which has coupling groups or is treated chemically to produce coupling groups, that a metal colloid solution is prepared and brought into contact with the surface of the support element, the metal colloids being used with the aid of the coupling groups are bound to the carrier element and thus form a homogeneous island layer, and 2

AT 405 767 B - daß der Überschuß an ungebundenem Kolloid entfernt wird und - daß in an sich bekannter Weise an das Substrat eine molekular rekognitive, vorzugsweise biorekogniti-ve, Schicht gebunden wird.AT 405 767 B - that the excess of unbound colloid is removed and - that a molecularly recognitive, preferably biorecognitive layer is bound to the substrate in a manner known per se.

Allgemein wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter einer rekognitiven bzw. biorekognitiven Wechselwirkung die hochspezifisehe Wechselwirkung zwischen einem Effektormolekül und einem Liganden verstanden. Die Bindung der Effektor/Liganden-Paare erfolgt an sogenannten Bindungszentren des Effektormoleküls, in die der Ligand genau hineinpaßt. Eine rekognitive Schicht besteht entweder aus den Effektormolekülen oder den Liganden eines Effektor/Liganden-Paares.In general, in the context of the present invention, a recognitive or biorecognitive interaction is understood to mean the highly specific interaction between an effector molecule and a ligand. The binding of the effector / ligand pairs takes place at so-called binding centers of the effector molecule, into which the ligand fits exactly. A recognitive layer consists of either the effector molecules or the ligands of an effector / ligand pair.

Beispiele für Effektor/Liganden-Paare.Examples of effector / ligand pairs.

Effektor Ligand Hormonrezeptor Hormon Antikörper Antigen DNA RNA/DNA Protein DNA/RNA Enzym Substrat, CoenzymEffector ligand hormone receptor hormone antibody antigen DNA RNA / DNA protein DNA / RNA enzyme substrate, coenzyme

Eine erfindungsgemäße Schichtstruktur zur Verwendung in analytischen Prozessen, welche aus einem Trägerelement besteht, an dessen Oberfläche eine Inselschicht mit einer molekular rekognitiven, vorzugsweise biorekognitiven Schicht vorliegt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägerelementes chemische Kopplungsgruppen aufweist, mit deren Hilfe Metallkolloide an das Trägerelement gebunden sind, welche die Inselschicht aus voneinander getrennten Metallinseln bilden.A layer structure according to the invention for use in analytical processes, which consists of a carrier element, on the surface of which an island layer with a molecularly recognitive, preferably biorecognitive layer is present, is characterized according to the invention in that the surface of the carrier element has chemical coupling groups with the aid of which metal colloids attach to the Carrier element are bound, which form the island layer from separate metal islands.

Eine derartige Schiehtstruktur kann eben oder gekrümmt (z. B. Beads aus Glas oder Kunststoff) sein.Such a structure can be flat or curved (e.g. beads made of glass or plastic).

Die erfindungsgemäße Schichtstruktur eignet sich zum Aufbau verschiedener Assay-Typen, insbesondere Fluoreszenzimmunoassays, bei welchen die Immunreaktion an einer Festphase abläuft: I. Sandwich-Immunoassay:The layer structure according to the invention is suitable for the construction of various types of assays, in particular fluorescence immunoassays, in which the immune reaction takes place on a solid phase: I. Sandwich immunoassay:

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die biorekognitive Schicht der Schichstruktur in an sich bekannter Weise aus Capture-Molekülen besteht, wobei jedes Capture-Molekül ein Analytmolekül einer zu vermessenden Probe zu binden vermag und das Analytmolekül mit einem fluoreszenzmarkierten Detektionsmolekül wechselwirkt.According to the invention, it is provided that the biorecognitive layer of the layer structure consists in a manner known per se of capture molecules, each capture molecule being able to bind an analyte molecule of a sample to be measured and the analyte molecule interacting with a fluorescence-labeled detection molecule.

Markierter Detektionsantikörper Analytmolekül (Antigen) Captu re-AntikörperLabeled detection antibody analyte molecule (antigen) capture antibody

Der Analyt (z. B. Antigen), wird durch Bindung zwischen einem oberflächengebundenen Capture-Molekül (z. B. Antikörper) und einem mit einem Enzym oder Fluorophor markierten Detektionsmolekül (Detektionsantikörper) detektiert. Die Signalhöhe ist proportional zur Menge an gebundenem Analyt.The analyte (e.g. antigen) is detected by binding between a surface-bound capture molecule (e.g. antibody) and a detection molecule labeled with an enzyme or fluorophore (detection antibody). The signal level is proportional to the amount of analyte bound.

In diesem Zusammenhang ist aus der EP 0 290 269 ein Reaktionsverfahren bekannt geworden, bei welchem eine reaktive Schicht, welche Antikörpermoleküle aufweist, Analytmoleküle der zu vermessenden Probe zu binden vermag. Das Analytmolekül seinerseits wechselwirkt mit einem fluoreszenzmarkierten Detektionsmolekül, beispielsweise mit einem zweiten Antikörpermolekül. 3In this connection, a reaction method has become known from EP 0 290 269, in which a reactive layer, which has antibody molecules, is able to bind analyte molecules of the sample to be measured. The analyte molecule in turn interacts with a fluorescence-labeled detection molecule, for example with a second antibody molecule. 3rd

AT 405 767 B II. Kompetitiver Immunoassay A:AT 405 767 B II. Competitive immunoassay A:

In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die biorekognitive Schicht der Schichtstruktur aus Capture-Molekulen besteht, welche kompetitiv ein Analytmolekül einer zu vermessenden Probe oder ein fluoreszenzmarkiertes Detektionsmolekül zu binden vermögen.In an embodiment variant of the invention it is provided that the biorecognitive layer of the layer structure consists of capture molecules which are able to competitively bind an analyte molecule of a sample to be measured or a fluorescence-marked detection molecule.

Der Analyt verhindert die Bindung eines fluoreszenzmarkierten Detektionsmoleküls an die mit einem Capture-Molekül (Antigen, Antikörper etc.) beschichtete Oberfläche durch direkte Konkurrenz um die Oberflächenbindungsstellen. Die Signalhöghe ist umgekehrt proportional zur Menge an gebundenem Analyt. Dabei kann das Detektionsmolekül ein Analytanalogon oder ein fluoreszenzmarkiertes Analytmolekül sein. III. Kompetitiver Immunoassay B:The analyte prevents the binding of a fluorescence-labeled detection molecule to the surface coated with a capture molecule (antigen, antibody, etc.) by direct competition for the surface binding sites. The signal level is inversely proportional to the amount of analyte bound. The detection molecule can be an analyte analog or a fluorescence-labeled analyte molecule. III. Competitive immunoassay B:

In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die biorekognitive Schicht der Schichtstruktur in an sich bekannter Weise aus Molekülen des zu bestiminenden Analyten besteht, welcher ein fiuoreszenzmarkiertes Detektionsmolekül zu binden vermag.In a further embodiment variant of the invention it is provided that the biorecognitive layer of the layer structure consists in a manner known per se of molecules of the analyte to be determined, which is able to bind a fluorescence-labeled detection molecule.

r Fiuoreszenzmarkiertes Detektionsmolekülr Fluorescence-labeled detection molecule

AnalytmolekülAnalyte molecule

Bei dieser Ausführungsvariante kann das fluzoreszenzmarkierte Detektionsmolekül nur dann an ein Analytmolekül der biorekognitiven Schicht andocken, wenn nicht vorher eine Reaktion mit einem Analytmolekül in der zu vermessenden Probe erfolgt ist. Die Signalhöhe ist auch hier umgekehrt proportional zur Menge an gebundenem Analyt.In this embodiment variant, the fluorescence-labeled detection molecule can only dock onto an analyte molecule of the biorecognitive layer if a reaction with an analyte molecule has not previously taken place in the sample to be measured. The signal level is also inversely proportional to the amount of analyte bound.

Als Trägerelement für die Schichtstruktur bzw. zur Herstellung des optischen Sensors verwendbar sind alle Materialien, an welche mit bekannten chemischen Prozessen Kopplungsgruppen, wie -OH, -NH2 oder -SH, erzeugt werden können, weiters Trägerelemente, die mit Polymeren, welche die genannten Kopplungsgruppen aufweisen, beschichtet sind, bzw. die aus Polymeren bestehen, welche die genannten Kopplungsgruppen aufweisen. In Frage kommen beispielsweise Glas, Metalle und Kunststoffe.All materials to which coupling groups, such as -OH, -NH2 or -SH, can be produced using known chemical processes, can also be used as the carrier element for the layer structure or for the production of the optical sensor, furthermore carrier elements which are made with polymers which contain the coupling groups mentioned have, are coated, or consist of polymers which have the coupling groups mentioned. Glass, metals and plastics, for example, come into question.

Erfindungsgemäß ist es insbesonders vorgesehen, daß als Trägerelement Glas oder transparente Polymere, vorzugsweise Polystyrol, Polycarbonat, PVC oder PMMA verwendet werden, welche einer Silanisierungsreaktion unterzogen werden. Unter der Voraussetzung, daß der Verstärkungsfaktor für die 4According to the invention, it is particularly provided that glass or transparent polymers, preferably polystyrene, polycarbonate, PVC or PMMA, which are subjected to a silanization reaction, are used as the carrier element. Provided that the gain factor for the 4th

AT 405 767 BAT 405 767 B

Fluoreszenzverstärkung durch die Metallinseln an der Oberfläche des Trägerelementes hinreichend hoch ist (bzw. wenn Fluorophore mit geringer Fluoreszenzausbeute verwendet werden), können auch opake Träger eingesetzt werden. Bei zu geringem Verstärkungsfaktor bzw. zu großer Fluoreszenzausbeute der verwendeten Fluorophore würde eine zu hohe Fluoreszenz in der Lösung (Bulk-Fluoreszenz) entstehen und die Sensibilität der Messung beeinträchtigen.Fluorescence amplification by the metal islands on the surface of the carrier element is sufficiently high (or if fluorophores with low fluorescence yield are used), opaque carriers can also be used. If the amplification factor of the fluorophores used was too low or the fluorescence yield was too high, the fluorescence in the solution would be too high (bulk fluorescence) and impair the sensitivity of the measurement.

Die Metallkolloidlösung kann vorzugsweise in einer Reduktionsreaktion hergestellt werden, wobei stabilisierende Liganden, vorzugsweise EDTA, Citrat, Polyvinylalkohol oder Di- bzw. Triphenylphosphine eingesetzt werden. Durch die Gegenwart der stabilisierenden Liganden wird die Aggregations- bzw. Präzipitationsneigung der Kolloide stark gesenkt. Für die Aufbringung der Metallkolloidlösung auf die Trägerelemente können unterschiedliche Verfahren angewende werden. So kann der ggf. chemisch modifizierte Träger in die Metallkolloidlösung getaucht oder auch die Metallkolloidlösung auf das Trägerelement aufgetropft bzw. aufgesprüht werden. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden mit Silberkolloidlösungen erzielt. Es können jedoch auch andere Edelmetallkolloide oder Aluminiumkolloid verwendet werden.The metal colloid solution can preferably be prepared in a reduction reaction using stabilizing ligands, preferably EDTA, citrate, polyvinyl alcohol or di- or triphenylphosphines. The presence of the stabilizing ligands greatly reduces the tendency of the colloids to aggregate or precipitate. Different methods can be used to apply the metal colloid solution to the carrier elements. For example, the optionally chemically modified carrier can be immersed in the metal colloid solution or the metal colloid solution can be dripped or sprayed onto the carrier element. Particularly advantageous results are achieved with silver colloid solutions. However, other precious metal colloids or aluminum colloids can also be used.

Schließlich ist in einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, daß zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche des Substrates Beads aus Kunststoff oder Glas als Trägerelemente verwendet werden, welche ihrerseits mittels bifunktioneller Reagentien an eine Trägerschicht gebunden werden.Finally, one embodiment variant of the invention provides that plastic or glass beads are used as carrier elements to enlarge the active surface of the substrate, which in turn are bound to a carrier layer by means of bifunctional reagents.

1.) HERSTELLUNG EINER METALLKOLLOIDLÖSUNG1.) PRODUCTION OF A METAL COLLOID SOLUTION

Die Herstellung erfolgt beispielsweise durch Reduktion einer AgN03-Lösung. a) Reduktion mit Natriumzitrat:The production takes place, for example, by reducing an AgN03 solution. a) Reduction with sodium citrate:

Eine Lösung aus 100 mg AgNOe in 250 ml bidestilliertem Wasser wird zum Kochen gebracht und 10 ml 1%iges Natriumzitrat (w/v) zugesetzt. Nach 5 minütiger Kochzeit erhält man eine grüne opake Lösung, welche für drei Stunden im Dunkeln gekühlt wird. UV-Spektrum: Emax = 17,8 bei 420 nm. b) Reduktion mit Natriumborhydrid (NaBH*): 100 mg AgN03 werden in 1% EDTA gelöst (w/v, bidestilliertes Wasser) und 1 ml NaBH4 (3 mg/ml, in bidestilliertem Wasser, 4'C) in Teilen zu 100 ul unter konstantem Rühren zugesetzt. Die entstehende klare gelbe Lösung wird bis zum Gebrauch kühl und dunkel gelagert. UV-Spektrum: Emax = 11,08 bei 404nm.A solution of 100 mg AgNOe in 250 ml bidistilled water is brought to a boil and 10 ml 1% sodium citrate (w / v) is added. After 5 minutes of cooking time, a green opaque solution is obtained, which is cooled in the dark for three hours. UV spectrum: Emax = 17.8 at 420 nm. B) Reduction with sodium borohydride (NaBH *): 100 mg AgN03 are dissolved in 1% EDTA (w / v, bidistilled water) and 1 ml NaBH4 (3 mg / ml, in bidistilled water, 4'C) added in parts to 100 ul with constant stirring. The resulting clear yellow solution is stored cool and dark until use. UV spectrum: Emax = 11.08 at 404nm.

2.) CHEMISCHE BEHANDLUNG DER TRÄGERELEMENTE2.) CHEMICAL TREATMENT OF THE CARRIER ELEMENTS

Die Kopplungsgruppen zur Bindung der Metallkolloide an die Trägerelemente können beispielsweise durch Behandlung der Träger mit Amino- od^E Merkaptosilanen (z. B. 3-aminopropyl-methyldiethoxysilan) oder (3-merkaptopropyl-trimethoxysilan) und fluchen der Trägerelemente in Polystyrol/Amimosilan-Mi-schungen hergestellt werden. :...· a) Silanisierung bei erhöhter Temperatur:The coupling groups for binding the metal colloids to the carrier elements can be, for example, by treating the carrier with amino- or ^ E mercaptosilanes (e.g. 3-aminopropyl-methyldiethoxysilane) or (3-mercaptopropyl-trimethoxysilane) and swearing the carrier elements in polystyrene / amimosilane Mixtures are made. : ... · a) Silanization at elevated temperature:

Glasträger wurden in einen geeigneten GHsubehälter, welcher eine 10%ige (v/v) Lösung aus Silan in Toluol enthielt gegeben und im Wasserbad auf 60 *C erhitzt. Die Reaktion wurde für 45 min durchgeführt, gefolgt von intensiver Reinigung dee.Trlgers mit Azeton und Äthanol und einer 30 minütigen Trocknung bei Raumtemperatur. b) Silanisierung bei Raumtemperatur:Glass slides were placed in a suitable glass container containing a 10% (v / v) solution of silane in toluene and heated to 60 ° C. in a water bath. The reaction was carried out for 45 min, followed by intensive cleaning of the carrier with acetone and ethanol and drying for 30 minutes at room temperature. b) Silanization at room temperature:

Glasträger wurden in eine 20%ige (v/v) Lösung aus Silan in Toluol getaucht (2 Minuten) langsam herausgezogen und eine Stunde bei Raumtemperatur getrocknet. Ein anaolger Tauchprozeß mit deioni-siertem Wasser wurde durchgeführt und eine 30 minütige Trocknungsperiode angeschlossen. c) Silanisierung in wässriger Lösung:Glass slides were slowly immersed in a 20% (v / v) solution of silane in toluene (2 minutes) and dried for one hour at room temperature. An anaolous immersion process with deionized water was carried out and a drying period of 30 minutes was added. c) Silanization in aqueous solution:

Eine 1 bis 10%ige wässrige Silanlösung wurde mit HCl auf einen pH = 3 eingestellt und damit 20 Minuten Polystyrol-Träger behandelt. Nach extensiver Reinigung mit deionisiertem Wasser wurden die Träger mit Druckluft getrocknet. d) Tauchüberzug aus Polystyrol:A 1 to 10% aqueous silane solution was adjusted to pH = 3 with HCl and treated with polystyrene support for 20 minutes. After extensive cleaning with deionized water, the carriers were dried with compressed air. d) Dip coating made of polystyrene:

Polystyrole unterschiedlichen Molekulargewichts (800 bis 45.000 g/mol) wurden in Azeton oder Toluol (0,3g/ml) gelöst und einer Silanisierungsmiechung aus Punkt a) oder b) in Mengen von 1 bis 10% (v/v) zugesetzt. Glasträger wurden in diese Mischung für 2 Minuten eingetaucht, langsam herausgezogen und eine Stunde bei Raumtemperatur getrocknet. Nach dem Waschen mit deionisiertem Wasser unter heftiger Bewegung der Träger wurden diese mit Druckluft getrocknet. 5Polystyrenes of different molecular weights (800 to 45,000 g / mol) were dissolved in acetone or toluene (0.3 g / ml) and added to a silanization mixture from point a) or b) in amounts of 1 to 10% (v / v). Glass slides were immersed in this mixture for 2 minutes, slowly pulled out and dried for one hour at room temperature. After washing with deionized water with vigorous agitation of the carriers, they were dried with compressed air. 5

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3.) AUFBRINGUNG DER METALLKOLLOIDE AUF DIE CHEMISCH BEHANDELTEN TRÄGERELEMENTE3.) APPLYING THE METAL COLLOIDS TO THE CHEMICALLY TREATED SUPPORT ELEMENTS

Das Aufbringen der Metallkolloide wurde durch Eintauchen (doppelseitig) oder durch Auftropfen der Metallkolloidlösung (einseitig) erreicht. Abhängig von der gewünschten Belegungsdichte wurden die Träger für eine Zeit von 10 bis 45 Minuten in die Kolloidlösung ein-getaucht. Die so produzierten kolloidalen Inselsubstrate wurden extensiv mit deionisierten Wasser gewaschen und bei Raumtemperatur getrocknet.The metal colloids were applied by immersion (double-sided) or by dripping on the metal colloid solution (one-sided). Depending on the desired coverage density, the carriers were immersed in the colloid solution for a period of 10 to 45 minutes. The colloidal island substrates thus produced were washed extensively with deionized water and dried at room temperature.

4.) CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN DER KOLLOIDALEN INSELSUBSTRATE4.) CHARACTERISTIC PROPERTIES OF THE COLLOIDAL ISLAND SUBSTRATES

Die Homogenität der Kolloidschicht wurden mittels UV-Spektroskopie bei Xmax = 400 bis 420 nm, Emax = 0,3 bis 0,488 (Referenz: silanisierter, transparenter Träger) abhängig von der Tauchzeit bestirnt. Substrate mit identischem Herstellungsverfahren zeigten eine Emax-Standardabweichung von 5%.The homogeneity of the colloid layer was determined by UV spectroscopy at Xmax = 400 to 420 nm, Emax = 0.3 to 0.488 (reference: silanized, transparent support) depending on the immersion time. Substrates with an identical manufacturing process showed an Emax standard deviation of 5%.

Partikelgröße und Form der Metallkolloide: Die Bestimmung dieser Parameter kann z. B. mittels Transmissionselektronenmikroskopie durchgeführt werden.Particle size and shape of the metal colloids: The determination of these parameters can e.g. B. be carried out by means of transmission electron microscopy.

Partikelgröße: Bei Reduktion mit NaBHi 10nm, bei Reduktion mit Natriumzitrat 50nm.Particle size: when reduced with NaBHi 10nm, when reduced with sodium citrate 50nm.

Form: sphärischShape: spherical

Verteilung auf der Oberfläche des Trägerelementes: Gleichförmig, keine Cluster, Ausmaß der Bedek-kung abhängig von der Konzentration der Metallkolloidlösung und der Tauchzeit.Distribution on the surface of the carrier element: uniform, no clusters, extent of coverage depending on the concentration of the metal colloid solution and the immersion time.

Chemische Stabilität: Im Absorptionsspektrum wurde nach einer einwöchigen trockenen Lagerung im Dunkeln keine Änderungen festgestellt. Weiters hat auch die Lagerung in Pufferlösungen (0,1 M Phosphatpuffer pH = 7,3, 100mM NaCI) für einige Stunden bis zu einem Tag die Substratparameter nicht geändert. Weiters wurde das Subsrat auch durch Lösungen, welche 0,05% Detergenzien enthalten, nicht angegriffen.Chemical stability: No changes were found in the absorption spectrum after one week's dry storage in the dark. Furthermore, storage in buffer solutions (0.1 M phosphate buffer pH = 7.3, 100mM NaCI) did not change the substrate parameters for a few hours to a day. Furthermore, the Subsrat was not attacked by solutions containing 0.05% detergents.

Im folgenden werden beispielhaft einige mögliche Bindungsmechanismen der Metallkolloide am Träger anhand der schematischen Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 beschrieben. Fig. 4 zeigt die Signalverstärkung fluoresceinmarkierter, adsorbierter Antikörper, wobei auf der Abszisse die Antikörperkonzentration in nM und auf der Ordinate die Intensität in relativen Fluoreszenzeinheiten (F.U.) angegeben ist, Fig. 5 zeigt den Signalanstieg (F.U.) über der Zeit in Sekunden für verschiedene Antigenkonzentrationen für Assays mit Kolloid (durchgezogene Linie) bzw. ohne Kolloid (strichlierte Linie) und Fig 6 einen Vergleich eines erfindungsgemäßen Sandwich-Immunoassays in Pufferlösung und einem Humanplasma-Standard.Some possible binding mechanisms of the metal colloids on the carrier are described below by way of example with reference to the schematic drawings in FIGS. 1 to 3. FIG. 4 shows the signal amplification of fluorescein-labeled, adsorbed antibodies, the antibody concentration in nM being indicated on the abscissa and the intensity in relative fluorescence units (FU) on the ordinate, FIG. 5 showing the signal increase (FU) over time in seconds for different Antigen concentrations for assays with colloid (solid line) or without colloid (dashed line) and FIG. 6 shows a comparison of a sandwich immunoassay according to the invention in buffer solution and a human plasma standard.

Gemäß Fig. 1 erfolgt die Bindung der Metallkolloide M an die Oberfläche des Trägers T über ionische Wechselwirkungen, bei denen solubilisierende Liganden L1 durch oberflächengebundene Liganden L2 verdrängt werden. Es handelt sich dabei um ionische und chemisorptive Wechselwirkungen, wobei erstere dominieren dürften.According to FIG. 1, the metal colloids M are bound to the surface of the carrier T via ionic interactions in which solubilizing ligands L1 are displaced by surface-bound ligands L2. These are ionic and chemisorptive interactions, with the former likely to dominate.

Gemäß Abbildung Fig. 2 können zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche die Metallkolloide M auch an handelsüblichen Kunststoftbeads B, welche Kopplungsgruppen K tragen, gebunden werden, die ihrerseits mittels bifunktioneller Reagentien an eine Trägerschicht S gebunden sind.According to FIG. 2, to enlarge the active surface, the metal colloids M can also be bound to commercially available plastic beads B, which carry coupling groups K, which in turn are bound to a carrier layer S by means of bifunctional reagents.

Derivate der oben genannten stabilisierenden Liganden mit kopplungsaktiven Gruppen oder andere bifunktionelle Reagentien, die mit Metallkolloiden M, die in Fig. 1 beschriebene Ligandenverdrängungsreaktion eingehen, können gemäß Fig. 3 ebenfalls zur kovalenten Beschichtung des Trägerelementes T benutzt werden.Derivatives of the above-mentioned stabilizing ligands with coupling-active groups or other bifunctional reagents which enter into metal colloids M, the ligand displacement reaction described in FIG. 1, can likewise be used according to FIG. 3 for the covalent coating of the carrier element T.

Aufgrund der Festigkeit und Geschwindigkeit der beschriebenen Bindungsreaktionen der Metallkolloide sind auch diverse Printmethoden (z. B. Piezodruck) auf die Trägerelemente mit oben genannten Eigenschaften anwendbar.Due to the strength and speed of the described binding reactions of the metal colloids, various print methods (e.g. piezo printing) can also be applied to the carrier elements with the properties mentioned above.

5.) MESSDATEN 5.1 Quantifizierung des Verstärkungseffektes5.) MEASURED DATA 5.1 Quantification of the gain effect

Zur Bestimmung der Größenordnung des Verstärkungseffektes wurden fluoresceinmarkierte Antikörper an einen Kunststoffträger mit und ohne Kolloid adsorbiert. Nach Entfernung überschüssiger Antikörpermo-lelküle erfolgte die Messung bei 35 *C in 25mM Phosphatpuffer/1 OOmM NaCI pH 7.0.To determine the magnitude of the amplification effect, fluorescein-labeled antibodies were adsorbed onto a plastic support with and without a colloid. After removal of excess antibody molecules, the measurement was carried out at 35 * C in 25mM phosphate buffer / 1 OOmM NaCI pH 7.0.

Meßparameter:Measurement parameters:

Lichtquelle: Xenon Blitz LampeLight source: Xenon flash lamp

Excitation/Emission: 485/535nmExcitation / Emission: 485 / 535nm

Detektor: PhotomultiplierDetector: photomultiplier

Die Signale werden als relative Fluoreszenzeinheiten (F.U.) angegeben (MW = Mittelwert, SD = Standardabweichung): 6The signals are given as relative fluorescence units (F.U.) (MW = mean, SD = standard deviation): 6

Claims (11)

AT 405 767 B FITC-Antikörper (nM) 14,5 2,9 0,29 0,03 0,003 0 Kolloid auf Polystyrol MW 17117 3714 297 32 -65 0 SD.., 1394 552 102 165 165 99 Polystyrol MW 216 -70 -73 -75 -65 0 SD_, 171 56 101 87 82 121 x fache Verstärkung 79 — — — — — Es konnten somit auf Kolloid-Oberflächen Verstärkungsfaktoren von annähernd 2 Größenordnungen gefunden werden (siehe Fig. 4), und ein Detektionslimit, das 2 Zehnerpotenzen unter dem auf der Kunststoffoberfläche liegt. Vorteilhafterweise kann ohne die in der Literatur im Zusammenhang mit hei-kömmlichen Inselschichten beschriebene kohärente Anregung und ohne Totalreflexions-Geometrie gemessen werden. 5.2. Kinetische Fluoreszenz-Assays. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung des Kolloid-Surface Enhancement Effektes liegt in der Unterscheidbarkeit des Signals oberflächengebundener fluoreszenzmarkierter Antikörper von dem der ungebundenen Moleküle, da nur das Signal ersterer durch die Metallpartikel verstärkt wird. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer &quot;Bulkunterdrückung&quot;, oder einer &quot;Kontrasterhöhung&quot; durch die Kolloide. Daher ist es möglich, auf kolloidbeschichteten Oberflächen die Kinetik einer Biorekognition fluoreszenzmarkierter Effektor/Liganden-Paare (z.B. Antikörper/Antigen) zu untersuchen, ohne die ungebundenen, überschüssigen Moleküle zu entfernen, die normalerweise das spezifische Oberflächensignal überdecken. Dies erlaubt die äußerst schnelle Bestimmung der Konzentration eines entsprechenden Analyten z.B. mittels Sandwich- oder kompetitiver Assay wie unter (l-lll) beschrieben. Fig. 5 zeigt das Ergebnis eines kinetischen Fluoreszenzassay, bei dem die Konzentration eines oberflächengebundenen Antigens durch Reaktion mit fluoreszenzmarkiertem Antikörper bestimmt wurde. Die dargestellten Mitteiwertkurven ergeben sich aus jeweils acht Bestimmungen pro Analytkonzentration. Es ist klar ersichtlich, daß nur auf kolicidbeschichteten Oberflächen die Kinetik der Immunreaktion verfolgbar ist, während auf den unbeschichteten Oberflächen keinerlei Signalanstieg zu beobachten ist. Es handelt sich bei dem beobachteten Effekt also eindeutig um eine oberflächenvermittelte Diskriminierung zwischen freiem und gebundenem Antikörper. 5.3. Stabilität in biologischer Matrix Einen außerordentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber bereits dokumentierten Systemen stellt die Stabilität der Kolloidschichten und der vollständige Erhalt des SEF in biologischen Matrices wie Blut oder Serum ohne jegliche Art von Scfpfaschicht (z.B. Polyglutaraldehyd, Silanen, Quarzschichten etc.) dar. Fig. 6 zeigt das Meßsignal eines Sindwich-Immunoassays auf Glas/Kolloid-Substraten in 0.1 M Phosphatpuffer pH 7.3/1 OOmM NaCI/3%Milchpulver (MP/PBS) und käuflichem Humanplasma-Standard (SIGMA) mit und ohne Zusatz von 25nM Antigen. Es ist ersichtlich, daß der SEF-Effekt in bieiegischer Matrix vollständig erhalten bleibt. Der erhöhte Wert im Plasma ohne Antigenzusatz ist dadurch erfdärbar, daß der Plasma-Standard als Kontrolle für Plasmen mit erhöhtem Antigengehalt benutzt wird. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors mit einem Substrat für grenzflächenaktive (surface enhanced) analytische Prozesse, welches Substrat auf der Oberfläche eines Trägerelementes eine Inselschicht aus voneinander getrennten Metallinseln aufweist, dadurch gekennzeichnet, - daß ein Trägerelement verwendet wird, welches Kopplungsgruppen aufweist oder zur Herstellung von Kopplungsgruppen chemisch behandelt wird, - daß eine Metallkolloidlösung hergestellt und mit der Oberfläche des Trägerelementes in Kontakt gebracht wird, 7 AT 405 767 B - wobei die Metallkolloide mit Hilfe der Kopplungsgruppen an das Trägerelement gebunden werden und so eine homogene Inselschicht bilden, sowie - daß der Überschuß an ungebundenem Kolloid entfernt wird und - daß in an sich bekannter Weise an das Substrat eine molekular rekognitive, vorzugsweise biorekognitive, Schicht gebunden wird.AT 405 767 B FITC antibody (nM) 14.5 2.9 0.29 0.03 0.003 0 colloid on polystyrene MW 17117 3714 297 32 -65 0 SD .., 1394 552 102 165 165 99 polystyrene MW 216 -70 -73 -75 -65 0 SD_, 171 56 101 87 82 121 times the amplification 79 - - - - - It was thus possible to find amplification factors of approximately 2 orders of magnitude on colloid surfaces (see FIG. 4), and a detection limit that 2 powers of ten below that on the plastic surface. Measurements can advantageously be carried out without the coherent excitation described in the literature in connection with conventional island layers and without total reflection geometry. 5.2. Kinetic fluorescence assays. A major advantage of using the colloid surface enhancement effect is that the signal of surface-bound fluorescence-labeled antibodies can be distinguished from that of the unbound molecule, since only the signal of the former is amplified by the metal particles. In this context, one also speaks of a &quot; bulk suppression &quot;, or a &quot; increase in contrast &quot; through the colloids. It is therefore possible to investigate the kinetics of a biorecognition of fluorescence-labeled effector / ligand pairs (e.g. antibodies / antigen) on colloid-coated surfaces without removing the unbound, excess molecules that normally cover the specific surface signal. This allows the concentration of a corresponding analyte to be determined extremely quickly, e.g. using a sandwich or competitive assay as described under (l-III). 5 shows the result of a kinetic fluorescence assay in which the concentration of a surface-bound antigen was determined by reaction with fluorescence-labeled antibody. The mean value curves shown result from eight determinations per analyte concentration. It is clearly evident that the kinetics of the immune reaction can only be tracked on kolicid-coated surfaces, whereas no signal increase is observed on the uncoated surfaces. The observed effect is clearly a surface-mediated discrimination between free and bound antibody. 5.3. Stability in a biological matrix An extraordinary advantage of the present invention compared to already documented systems is the stability of the colloid layers and the complete preservation of the SEF in biological matrices such as blood or serum without any kind of ablation layer (eg polyglutaraldehyde, silanes, quartz layers etc.) 6 shows the measurement signal of a Sindwich immunoassay on glass / colloid substrates in 0.1 M phosphate buffer pH 7.3 / 1 OOmM NaCI / 3% milk powder (MP / PBS) and commercially available human plasma standard (SIGMA) with and without the addition of 25nM antigen. It can be seen that the SEF effect is completely retained in the flexible matrix. The increased value in the plasma without addition of antigen can be explained by the fact that the plasma standard is used as a control for plasmas with an increased antigen content. 1. A method for producing an optical sensor with a substrate for surface-active (surface enhanced) analytical processes, which substrate has an island layer made of separate metal islands on the surface of a carrier element, characterized in that - a carrier element is used which has coupling groups or is chemically treated for the production of coupling groups, - that a metal colloid solution is prepared and brought into contact with the surface of the carrier element, 7 AT 405 767 B - the metal colloids being bound to the carrier element with the aid of the coupling groups and thus forming a homogeneous island layer, and - That the excess of unbound colloid is removed and - That a molecularly recognitive, preferably biorecognitive, layer is bound to the substrate in a manner known per se. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement aus einem Material besteht oder mit einem Material beschichtet ist, an welches mit Hilfe chemischer Prozesse Kopplungsgruppen vorzugsweise -OH, -NH2 oder -SH, erzeugt werden, bzw. welches Material derartige Kopplungsgruppen aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the carrier element consists of a material or is coated with a material to which coupling groups, preferably -OH, -NH2 or -SH, are generated by means of chemical processes, or which material such coupling groups having. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerelement Glas oder transparente Polymere, vorzugsweise Polystyrol, Polycarbonat, PVC oder PMMA verwendet werden, welche einer Silanisierungsreaktion unterzogen werden.3. The method according to claim 2, characterized in that glass or transparent polymers, preferably polystyrene, polycarbonate, PVC or PMMA are used as the carrier element, which are subjected to a silanization reaction. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkolloidlösung in einer Reduktionsreaktion hergestellt wird, wobei stabilisierende Liganden, vorzugsweise EDTA, Citrat, Polyvinylalkohol, Diphenylphosphine oder Triphenylphosphine eingesetzt werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the metal colloid solution is prepared in a reduction reaction, wherein stabilizing ligands, preferably EDTA, citrate, polyvinyl alcohol, diphenylphosphine or triphenylphosphine are used. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement in die Metallkolloidlösung eingetaucht oder die Metallkolloidlösung auf das Trägerelement aufgesprüht bzw. aufgetropft wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the carrier element is immersed in the metal colloid solution or the metal colloid solution is sprayed or dripped onto the carrier element. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche des Substrates Beads aus Kunststoff oder Glas als Trägerelemente verwendet werden, welche ihrerseits mittels bifunktioneller Reagentien an eine Trägerschicht gebunden werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that plastic or glass beads are used as carrier elements to enlarge the active surface of the substrate, which in turn are bound to a carrier layer by means of bifunctional reagents. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallkolloidlösung eine Silberkolloidlösung verwendet wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a silver colloid solution is used as the metal colloid solution. 8. Schichtstruktur zur Verwendung in analytischen Prozessen, welche aus einem Trägerelement besteht, an dessen Oberfläche eine Inselschicht mit einer molekular rekognitiven, vorzugsweise bioregkognitive Schicht vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägerelementes chemische Kopplungsgruppen aufweist, mit deren Hilfe Metallkolloide an das Trägerelement gebunden sind, welche die Inselschicht aus voneinander getrennten Metallinseln bilden.8. Layer structure for use in analytical processes, which consists of a carrier element, on the surface of which there is an island layer with a molecularly recognitive, preferably bioregcognitive layer, characterized in that the surface of the carrier element has chemical coupling groups with the aid of which metal colloids are bound to the carrier element are, which form the island layer from separate metal islands. 9. Schichtstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die biorekognitive Schicht in an sich bekannter Weise aus Capture-Molekülen besteht, wobei jedes Capture-Molekül ein Analytmolekül einer zu vermessenden Probe zu binden vermag und das Analytmolekül mit einem fluoreszenzmarkierten Detektionsmolekül wechselwirkt.9. Layer structure according to claim 8, characterized in that the biorecognitive layer consists in a manner known per se of capture molecules, each capture molecule being able to bind an analyte molecule of a sample to be measured and the analyte molecule interacting with a fluorescence-labeled detection molecule. 10. Schichtstrktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die biorekognitive Schicht aus Capture-Molekülen besteht, welche kompetitiv ein Analytmolekül einer zu vermessenden Probe oder ein fluoreszenzmarkiertes Detektionsmolekül zu binden vermögen.10. Layer structure according to claim 8, characterized in that the biorecognitive layer consists of capture molecules which can competitively bind an analyte molecule of a sample to be measured or a fluorescence-labeled detection molecule. 11. Schichtstrutur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die biorekognitive Schicht in an sich bekannter Weise aus Molekülen des zu bestimmenden Analyten besteht, welcher ein fluoreszenzmarkiertes Detektionsmolekül zu binden vermag. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 811. Layer structure according to claim 8, characterized in that the biorecognitive layer consists in a manner known per se of molecules of the analyte to be determined, which is able to bind a fluorescence-labeled detection molecule. Including 3 sheets of drawings 8
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